耐高温光纤连续管测试技术研究及应用*

2022-02-13潘亿勇顾启林孙玉豹孟祥海成李大俭

石油机械 2022年12期

潘亿勇顾启林孙玉豹孟祥海汪成李大俭

(1.中国海油(中国)有限公司勘探开发部 2.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部 3.海洋石油高效开发国家重点实验室 4.中国海油(中国)有限公司天津分公司)

0 引言

我国海洋原油储量丰富，已发现稠油地质储量3.29×109m3，稠油热采技术已成为开发海上稠油油田的有效手段之一。稠油热采技术自2008年以来在渤海油田推广应用，取得了较好的开发效果[1-2]。随着增储上产需求以及技术的发展，海上油田已进入规模化热采开发阶段。但海上热采井多为水平井，注汽开采面临着水平段动用程度不均匀、动用程度未知，汽窜、水窜流道不明等问题[3-4]，影响了热采开发效果。因此，海上稠油热采对测试技术的需求日益迫切。

光纤测试技术是近些年兴起的一种测试技术，因其分布式监测与高精度的特性，在辽河油田、新疆油田以及胜利油田等陆地油田均有应用，可实现稠油热采井的注入与产出剖面监测、蒸汽驱或火驱波及情况监测，储气库温度及漏失监测，以及冷采井找水、压裂监测[5-6]。张义强等[7]针对稠油热采井提出了一种分布式光纤测温技术，使用ø6.35 mm光纤管及分布式光纤测温系统测取井筒温度。郑金中等[8]基于光纤光栅传感器，研究了一种井下永久式光纤温度-压力测试技术，适应井下200 ℃高温测试需求。刘明尧等[9]基于光纤光栅压力检测原理，提出了一种套管井下压力光纤光栅测量方法，并开展了室内试验研究。任利华等[10]创新性地将温度监测光纤与压力监测电缆一体化封装、捆绑在油管柱下入，实现了全井筒温度及部分井段压力的实时动态监测。邹洪峰等[11]论述了国外光纤测井技术的发展概况、耐高温光纤技术方案及国外开发耐高温光纤的情况。

虽然国内外关于光纤测井技术的研究较多，但主要以井下永久式、半永久式光纤测试技术为主，通过油管或者套管携带的方式下入测试光缆。该类型测井技术作业时间长，作业过程中光缆易损坏而失去信号，而且井下光缆及配套工具无法重复使用，测试成本高、适用性不足。为此，笔者研发了一种耐高温光纤连续管测试技术。该项技术为一种临时光纤测井技术，具有耐高温、作业时间短、测试灵活高效，测试系统可实现回收的特点。2022年3月，该技术应用于海上稠油油田蒸汽驱注汽井，成功获取了该井全井段的温度数据，了解了水平段的吸汽(吸水)状况，为该油田蒸汽驱效果评价、注采方案优化及堵调工艺措施实施提供了科学指导和依据。

1 技术简介

1.1 测试工艺流程

通过将部署于连续管内部的耐高温光纤下入井底，以光纤本身作为传感器，地面端连接连续管光缆密封器、分布式温度传感测量系统(DTS)以及分布式声学传感系统(DAS)，从而实现全井段的温度、声波以及压力等参数测试。通过DTS与DAS结合、相互验证，从而了解注汽井、生产井油层段的吸汽/产液状况，识别出水层位，为注采方案优化及工艺措施实施提供指导依据。水平井光纤连续管测试工艺流程见图1。

图1 水平井光纤连续管测试工艺流程图

1.2 技术原理

(1)分布式光纤温度测量原理。主要依据光纤的时域反射原理以及光纤的背向拉曼散射温度效应。当一个光脉冲从光纤一端射入光纤时，光脉冲会沿着光纤向前传播。由于光脉冲与光纤内部分子发生弹性碰撞和非弹性碰撞，故光脉冲在光纤中每一点都会产生反射，其中有一部分反射光其方向与入射光的方向相反(亦可称为背向)[12-13]。这种背向反射光的强度与该反射点的温度有一定的相关性。反射点的温度越高，反射光的强度也越大。若能测出背向反射光强度，便可计算出反射点的温度。通过对光纤系统进行温度标定，即可计算出环境的实际温度[7]：

(1)

式中：T为测量点环境温度，K；T0为恒温槽温度，K；k为玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K;h为普朗克常数，h=6.63×1034J·s；c为真空中的光速，c=3×108m/s;Δγ为偏移系数，cm-1；R(T)为反斯托克斯光强度与斯托克斯光强度比值。

(2)分布式光纤声波传感测试原理。与常规OTDR(光学时域反射技术)相比，基于C-OTDR的分布式光纤声波传感系统技术的主要优势在于灵敏度高、定位精度高以及多点监测。C-OTDR系统是基于光的干涉原理，对背向散射光的瑞利光信号以相干接收方法进行接收，可有效消除系统中光放大器引入的自发辐射噪声，增大了检测信号的信噪比和动态范围[14-16]。在探测方面，C-OTDR引入外差探测，进一步提高了系统的信噪比，从而减少了平均次数，提高了系统的振动频响能力。分布式光纤声波传感测试原理如图2所示。

图2 分布式光纤声波传感测试原理图

(3)分布式光纤定位测量原理。光脉冲进入光纤之后开始计时，发射端收到散射回波信号时，说明该处信号是由距发射端处的光纤所产生。只要接收端的频率足够高，且采样时间间隔足够小，就能够得到整根光纤的实际信号值，实现分布式测量。其测量计算式为：

L=c1t/2

(2)

式中：L为光纤产生散射的位置，m；c1为光脉冲在光纤中的传播速度，m/s；t为光脉冲进入光纤到接收到回波信号的时间差，s。

1.3 技术指标

(1)测温范围0～400 ℃，测温精度± 0.2 ℃；

(2)测温分辨率0.1 ℃，温度漂移≤0.1 ℃/a；

(3)测压精度为0.1% FS，测压分辨率0.001 MPa；

(4)定位精度±0.5 m，空间分辨率≤0.5 m；

(5)测量频率范围5～10 kHz；

(6)最大测量距离>3 km。

1.4 技术特点

(1)实时、快速实现井下多点测试；

(2)光纤传感器体积小、质量轻，可实现远距离测量；

(3)耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰；

(4)通过光纤精确定位连续管下入深度；

(5)测试作业灵活、高效，系统可回收。

2 关键配套设备工具

2.1 耐高温光纤连续管

海上热采井多为水平井，井斜角及狗腿度大，且注蒸汽井温度高、压力高，井下工况极为苛刻。常规光纤光缆不耐高温，在热采水平井工况下易损坏，进而氢离子渗入光缆侵蚀光纤，导致光纤失效[17-18]。为此，笔者研发了耐高温光纤连续管，其结构如图3所示。该设备可在热采水平井350 ℃高温、21 MPa高压工况下连续稳定测试，获取井下温度、压力以及声波振动等数据。

1—连续管；2—外层不锈钢毛细管；3—内层不锈钢毛细管；4—耐高温光纤。

关键技术参数：连续管外径38.1 mm；外层不锈钢毛细管外径6.35 mm、825材质；内层不锈钢毛细管外径4 mm、316L材质；耐高温光纤采用改良聚酰亚胺光纤，耐温350 ℃、耐压21 MPa。

2.2 井口防喷装置

为实现对注汽井高温(≥300 ℃)、高压工况下的光纤连续管测试[19]，研发了耐高温连续管井口防喷装置，其结构如图4所示。该装置采用耐高温密封组件，主要由耐高温防喷盒、双层防喷管、喷淋装置等部分组成。测试作业期间持续向防喷管中循环注入冷却水降温，并通过喷淋装置向防喷盒降温，同时可注入氮气阻隔高温流体，从多个方面保障高温下井口防喷装置的可靠性，确保连续管测试作业安全。

1—防喷循环立管；2—单向阀；3—防喷盒；4—喷淋装置；5—循环软管；6—耐高温防喷立管。

关键技术参数：通径77.7 mm；连接形式为法兰连接；适用连续管规格ø38.1 mm；耐温≥320 ℃，耐压≥21 MPa。

2.3 密封装置

耐高温光纤连续管密封装置是一种可实现连续管、光缆及光纤之间密封的地面密封保护装置。该装置能防止当井下连续管、光缆出现刺漏时，井下高温流体上返至地面端造成安全风险，结构如图5所示。当压力表有压力显示时，可通过关闭光纤密封器球阀来关断井下与地面的通道，确保测试安全。

1—连续管密封；2—针阀；3—卡套；4—球阀；5—三通；6—光纤密封器；7—压力表。

关键技术参数：适用连续管外径38.1 mm；适用光缆管直径6.35 mm；耐温350 ℃、耐压21 MPa；关键部件材质2Cr13。

3 现场应用

3.1 测试井概况

X1井为渤海某油田一口热采水平井，完钻井深1 752 m。该井自2011年以来开展了3轮次注热吞吐作业。为进一步提高该油田热采采收率，自2020年6月开展水平井蒸汽驱先导试验，注汽温度330～340 ℃、注汽压力9.5～110.0 MPa、过热度>20 ℃。该井采用了高效隔热+水平段均匀注汽的组合管柱，水平段共布置了10个均衡配注阀，其结构如图6所示。截至2022年3月，井筒管柱及工具经历多次停注、高低温交变工况考验，达到了方案预期效果，计划2022年4月进行换管柱作业。为了解该井水平段的吸汽情况，识别高渗、汽窜通道，在更换注汽管柱前开展光纤连续管测试作业，为该井水平段注汽管柱优化、后续注热参数调整与调堵措施制定提供依据。

图6 均衡配注阀结构示意图

3.2 注汽井测试工艺

(1)测试前准备。目标井注入过热蒸汽，温度高达340 ℃，进行光纤连续管测试作业，最大的风险点为连续管井口防喷装置。考虑到光纤连续管首次应用于注蒸汽井，风较高，为确保安全作业，待该井停注后下入光纤连续管。并通过氮气设备向注汽管柱中注入一定量的氮气，抑制管柱内高温流体上返至井口，确保井口防喷装置安全。

(2)光纤连续管入井及测试工艺。①光纤连续管入井前连接光纤解调设备，确认光纤信号正常。②光纤连续管入井过程中间歇检测光纤信号。③光纤连续管下入注热管柱底部后，释放下压力，保持静止状态[15]。④持续对水平段及全井筒管柱进行温度监测，水平段测试时间不少于12 h，当同一点温度变化不超过0.5 ℃/h时，达到测试目的。

3.3 测试结果解释分析

2022年3月开展光纤连续管测试作业，顺利下至目的深度1 712 m，其中水平段温度测试时间12 h，成功测取了全井筒的温度数据。

(1)全井段光纤温度测试解释分析。X1全井段光纤温度测试曲线如图7所示，水平段注汽管柱内温度为290.5～293.5 ℃，检验了光纤连续管的耐高温性能。从图7可以看出，注汽管柱存在多个温度低点，说明隔热油管接箍处的隔热性能要低于隔热油管本体，有必要进一步增强接箍处的隔热性能，降低热损失。通过分析测温数据变化规律认为，该井动液面约为188 m，进而计算目前该井地层压力约为7.63 MPa(转驱前地层压力约为5 MPa)。